一种用于模拟分子化学趋向运动的程序算法制造技术

本发明专利技术公开了一种用于模拟分子化学趋向运动的程序算法，通过建立有关受体与配体交叉扩散的有限元模型，从统计热力学基本框架出发，严谨推导出统摄分子趋化行为的解析方程；开发可推演该特殊运动进程的核心算法，以流场配置和流体性质为输入参数，对分子趋化系统给予数值模拟，用于预测并检验实验结果。本发明专利技术遵循“第一性原理”，从基本的统计热力学定理出发，完备地推导出描述分子趋化的支配方程，毋须试探性数学表达和经验性参数定义，建立起一般性模型；将运动方程转化为程序的核心算法，以实际体系的性质为基础，高效模拟出具体分子结合体系的运动趋势及有关效应，并输出定量预测结果，用于数据挖掘比对。

【技术实现步骤摘要】
一种用于模拟分子化学趋向运动的程序算法
本专利技术属于复杂化学流体的有限元分析领域，尤其涉及一种用于模拟分子化学趋向运动的程序算法。
技术介绍
微流控芯片中酶分子流向其底物的自发迁徙已经得以广泛报道，但该催化化学趋向运动的机制迄今悬而未决，导致该领域目前存在诸多争议性的观点，有的研究结论甚至相互对立。例如，2015年Nature报道了利用单分子荧光相关光谱，发现尿酶、漆酶、碱性磷酸酶在其本征的放热型催化过程中，自身扩散系数渐增，并与底物浓度、时间呈线性相关，拟合斜率与各酶对底物的转化频率(kcat)有关，颇具指征性。但是，美国科学院院士SteveGranick在运用超分辨显微成像分别跟踪单个尿酶和漆酶时，观察到的却是离散酶个体在逐渐远离其对应底物，呈现反(逆)趋化现象，由此提出了酶的迁移率应受kcat和米氏常数(KM)共同制约。其后，哥伦比亚大学HenryHess课题组通过动态光散射实验，补充道“酶在催化转化阶段的变构与亚基解离，也会不同程度地干预大分子的实时扩散；部分酶的扩散系数并不随底物浓度、催化时间而变化”。另一方面，虽然催化反应的焓变一般较为显著，但德国MaxPlanck研究所的Golestanian教授精确测量却发现，实际反应微区的温度仅提升了不足1/1000K；他还发现糖酵解代谢中的二磷酸果糖酶催化果糖-1,6-二磷酸这一吸热反应，亦具有放热型酶催化的全部趋化行为特征。-这两方面共同说明热效应不是主导分子趋化的主要因素。上述研究结论总体使酶趋化的成因分析愈发复杂。为了阐明分子趋化的动力学成因，研发人员按照Michaelis-Menten模型和其准稳态近似，对酶催化历程中的两个基本阶段：(1)可逆的底物结合与(2)不可逆的产物转化，做了隔离、孤立考察，发现了离子和小分子通过非键且非特异性作用向较大物体接近的现象。比如，伊利诺伊大学香槟分校的PaulBraun团队通过在平面静电场内以牺牲离子的运动自由度为代价，观察到带负电荷的荧光素自发向局域化季铵盐构成的人造“焓黑洞”汇聚，并将该现象开发用于加速靶DNA的表面捕获。该模型最早可追溯至2005年布朗大学LambertFreund发现的病毒侵入、质粒转染等过程中细胞膜表面受体向胞吞位点的主动聚集现象。已应用于膜分离，如巧用疏水半透膜附近的低渗透压，吸引染料向其表面不可逆地牢固粘附。反之，当包围蛋白或外泌体囊泡表面Debye层内一、二价离子梯度足够大时，这些聚合物或微纳颗粒的机动性也会成百上千倍地提高，产生与胶体尺寸、离子种类相关的扩散泳输运，已应用于蛋白质液/液相分离、脂域区划、光免疫治疗(photoimmunotherapy)，乃至原油开采等。以上系统全部是由界面静电场为主的广义化学结合力所统摄，都侧重于阐述限域环境中各性质对研究主体速率的综合促进作用。其数学表达各异，例如牛津大学的J.Agudo-Canalejo博士通过线性组合的形式，在流动性本构方程中添加泛定“泳”项；而华盛顿大学的J.Schurr等修正了费克扩散定律，从Kirkwood-Buff积分出发，在多物理场耦合分析软件COMSOL中自定义了一个“增强扩散”(见公式1)项：其中，DR是受体的自由扩散系数，DXD为所谓的交叉扩散系数，cR和cL分别是受体、配体的浓度。如此，绕过基本的热/动力学前提假设和严谨推导，以求通过形式特殊的试探表达，经人为参数修正、迭代逼近，近似解析受体分子“流”(JR)随的分布。但是，诸如扩散泳、扩散渗等本质皆属非平衡游移，与化学平衡主导的酶-底物特异性识别不符；另一方面，也与酶-底物单位时间内按化学计量比的键合方式存在着显著的差异。说到底，正是由于对分子运动图景的本质缺乏认识，才试探性地引入诸如“增强扩散”的概念；以及形而上地类比宏观运动学的动量守恒，认为产物释出导致酶分子的弹道式反冲和构象的质心偏移，继而想象出现了溶剂的瞬间差分应力(所谓“化学声表面波”)等，如此这般假想了一系列微观力学模型，致使其预测结果皆与实际观测所得存在着较大的偏差。鉴于此，为了更加严谨而准确地预测分子化学趋向行为，既而用于解释、指导相关原理与实践应用，本专利提出了一个新的分子趋化运动数值模拟技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于模拟分子化学趋向运动的程序算法。本专利技术的目的在于针对现有技术的不足：一种用于模拟分子化学趋向运动的程序算法，包括数学模型、理论公式、计算程序和输入输出配置；所述的数学模型包括分子化学趋向运动的抽象场景和其中的初始与边界条件；所述的理论公式包括基本假设、参数定义和支配方程组；所述的计算程序包括数据结构、数值模拟算法及其核心；所述的输入输出配置包括流场状况、运动对象的状态参数及数据统计方法。进一步地，所述的分子化学趋向运动的抽象场景包括2～3个入口、1个出口的微通道反应器、集体迁徙和反向汇聚两种浓度梯度生成方式，和以各流体汇流时的流道横截面作为采样观测的时空起点。所述的初始与边界条件包括受体和配体的系列进样浓度，和这两种物质在初始时刻的空间分布，尤其是在两相界面与管壁边缘处的浓度值。进一步地，所述的基本假设包括由受体、配体和受配体复合物构成的理想溶液，其是一个处于热力学平衡态的巨正则系综，以及用于描述大分子相互作用过程的McMillan-Mayer溶液理论。所述的参数定义指用于系统建模的统计热力学巨配分函数的完备自变量，包括化学势、浓度、空间位置、自由能多项式、结合常数和扩散系数等。所述的支配方程组为分别有关受体和配体的作用力与位置关系的Fokker-Planck方程，和其派生的流动性本构方程，这两种方程的解析表达式。进一步地，所述的数据结构包括Fortran和Mathematica两种开发环境中的体系变量定义和其对应的数值类型，各变量之间的线性依存关系，时间标定与坐标区划方法。所述的数值模拟算法及其核心包括支配方程组的程序语言实现，基于链表遍历更新的值传递方式，循环判据，边界值补偿办法，和与实验结果的偏差校正措施。进一步地，所述的流场状况包括微流体几何参数、线流速和流经时长。进一步地，所述微流体几何参数包括长宽高。进一步地，所述的运动对象的状态参数包括受体、配体和二者复合物在模拟前后与位置有关的浓度和扩散系数，以及受体-配体的缔合/解离常数。进一步地，所述的扩散系数由单分子荧光相关光谱和核磁共振扩散序谱测量获得，所述的缔合/解离常数由紫外可见分光光度法或荧光光谱法测得。进一步地，所述的数据统计方法是从采样终点的受体分布积分中评定趋化距离，再用受体的趋化迁移量与配体的浓度作图，拟合函数关系，提取键合信息。进一步地，计算流程包括以下步骤：步骤1：变量定义，新建输出文件，依次输入如下参数：三流道器件全宽，模拟时长，中央流道的受体浓度，侧流道的配体浓度，受体与配体的解离常数，受体、配体和受体/配体复合物的扩散系数；建立数组，标定时间步和时间增量，初始化浓度数据。步骤2：常量因子定值；根据支配方程中扩散系数、平衡常数与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于模拟分子化学趋向运动的程序算法，其特征在于，包括数学模型、理论公式、计算程序和输入输出配置；/n所述的数学模型包括分子化学趋向运动的抽象场景和其中的初始与边界条件；/n所述的理论公式包括基本假设、参数定义和支配方程组；/n所述的计算程序包括数据结构、数值模拟算法及其核心；/n所述的输入输出配置包括流场状况、运动对象的状态参数及数据统计方法。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟分子化学趋向运动的程序算法，其特征在于，包括数学模型、理论公式、计算程序和输入输出配置；
所述的数学模型包括分子化学趋向运动的抽象场景和其中的初始与边界条件；
所述的理论公式包括基本假设、参数定义和支配方程组；
所述的计算程序包括数据结构、数值模拟算法及其核心；
所述的输入输出配置包括流场状况、运动对象的状态参数及数据统计方法。


2.根据权利要求1所述用于模拟分子化学趋向运动的程序算法，其特征在于，所述的分子化学趋向运动的抽象场景包括2～3个入口、1个出口的微通道反应器、集体迁徙和反向汇聚两种浓度梯度生成方式，和以各流体汇流时的流道横截面作为采样观测的时空起点。所述的初始与边界条件包括受体和配体的系列进样浓度，和这两种物质在初始时刻的空间分布，尤其是在两相界面与管壁边缘处的浓度值。


3.根据权利要求1所述用于模拟分子化学趋向运动的程序算法，其特征在于，所述的基本假设包括由受体、配体和受配体复合物构成的理想溶液，其是一个处于热力学平衡态的巨正则系综，以及用于描述大分子相互作用过程的McMillan-Mayer溶液理论。所述的参数定义指用于系统建模的统计热力学巨配分函数的完备自变量，包括化学势、浓度、空间位置、自由能多项式、结合常数和扩散系数等。所述的支配方程组为分别有关受体和配体的作用力与位置关系的Fokker-Planck方程，和其派生的流动性本构方程，这两种方程的解析表达式。


4.根据权利要求1所述用于模拟分子化学趋向运动的程序算法，其特征在于，所述的数据结构包括Fortran和Mathematica两种开发环境中的体系变量定义和其对应的数值类型，各变量之间的线性依存关系，时间标定与坐标区划方法。所述的数值模拟算法及其核心包括支配方程组的程序语言实现，基于链表遍历更新的值传递方式，循环判据，边界值补偿办法，和与实验结果的偏差校正措施。


5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓盛元，杨萌，李大力，李元生，马科锋，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32